【原】西安交通大学吴一帆、王诗航、李盛涛 等：低密度聚乙烯基料链结构对黏弹特性的影响

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随着新能源和海洋资源的开发，高压电缆需求量飞速增长，推动其向更高电压等级和更大长度发展，这对高压电缆的加工制造提出了更大的挑战。绝缘料的加工性能成为制约高压电缆向更高水平发展的关键因素之一。高压电缆交联聚乙烯绝缘料加工性能主要受低密度聚乙烯（LDPE）基料黏弹特性影响，精准地获得LDPE基料链结构特征对黏弹特性的影响对电缆绝缘优化升级至关重要。

西安交通大学先进电工材料研究团队长期从事高压电缆绝缘材料的研究，采用制备型升温淋洗分级工艺（P-TREF）对LDPE进行分级，揭示了不同链结构参数对LDPE黏弹特性的影响。基于LDPE黏弹特性构效关系，结合电缆挤出成型工艺，设计更为适宜的基料黏弹特性参数，以此优化调控LDPE的链结构，是未来高端电缆绝缘材料研发的方向。

研究背景

高压电缆向高电压等级和大长度的发展，对交联聚乙烯绝缘料的加工性能提出了更高的要求。绝缘料的加工性能和电缆绝缘成型质量主要受LDPE基料黏弹特性影响，基料的黏弹特性取决于其链结构。然而，LDPE基料分子链支化结构复杂，具有多重非均匀性，且其流变行为通常是多种结构因素共同作用的结果。现有高压电缆绝缘LDPE基料均采用管式法工艺生产，结构差异较小，因此仅基于高压电缆绝缘LDPE基料难以建立单一的链结构参数与黏弹特性的关联。

   

图1  电缆结构示意图和低密度聚乙烯基料 

论文所解决的问题及意义

本文采用制备型升温淋洗分级工艺，对一种高压电缆绝缘LDPE和一种结构差异较大的釜式法LDPE进行分级，得到链结构相对均一的级份。详细表征了LDPE原料及各级份的链结构参数和黏弹特性参数，揭示了管式法LDPE与釜式法LDPE链结构的差异和黏弹特性的差异，阐明了链结构参数对LDPE黏弹特性的影响机理。对于高压电缆绝缘LDPE基料链结构参数优化设计、黏弹特性调控，及绝缘料性能提升具有重要意义。

论文方法及创新点

1.低密度聚乙烯原料及分级样品链结构

图2和图3为两种LDPE原料的分子量分布曲线、回转半径和支化因子。结果表明，釜式法LDPE分子量分布较宽，平均分子量较大，长链支化程度较高；管式法LDPE平均分子量及分子量分布较小，平均每个分子链上的长支链数较少，长链支化程度较低。采用P-TREF，对两种LDPE样品进行分级，分级后样品的分子量分布明显变窄，平均分子量差异显著。

图2  LDPE样品的分子量分布及回转半径

图3  LDPE样品支化因子g随分子量变化曲线

2.低密度聚乙烯原料及分级样品黏弹特性

两种LDPE原料及各级份的复数黏度和模量随剪切频率变化情况如图4、5所示。结果表明，当LDPE支化结构相似时（LDPE原料及其所对应的级份），重均分子量越大，分子链间的缠结越严重，松弛时间越长，样品的黏度、储能模量和损耗模量越高，剪切变稀行为越显著，储能模量和损耗模量的交点向低频区移动。

图4 120℃下LDPE原料及各级份的复数黏度随剪切频率变化曲线

图5 120℃下LDPE原料及各级份的模量随剪切频率变化曲线

3.低密度聚乙烯链结构对黏弹特性的影响

图6为两种LDPE基料零切黏度随重均分子量变化情况。对于釜式法LDPE，η0∝Mw3.4

；对于高压电缆用LDPE基料，η0∝Mw6.7。在相同的重均分子量下，管式法LDPE的零切黏度高于釜式法LDPE。当重均分子量接近时，LDPE零切黏度与长链支化度具有非单调关系，过高的长链支化度会削弱分子链间的物理缠结，导致零切黏度降低。

图6  120℃下LDPE样品零切黏度随重均分子量的变化情况

结论

本文采用P-TREF对管式法LDPE和釜式法LDPE进行了分级，并对LDPE原料及各级份的链结构特征和黏弹特性进行分析研究。结果表明，采用不同工艺生产的LDPE的链结构存在显著差异。长链支化结构相似时，重均分子量越大，分子链间越容易产生缠结，黏度和模量越高，剪切变稀现象发生频率越低；重均分子量接近时，零切黏度与长链支化度具有非单调关系，过高的长链支化度会削弱分子链间的物理缠结，导致零切黏度降低。

团队介绍

西安交通大学先进电工材料研究中心，现有教授4名，副教授5名，高级工程师1人，助理教授4人。中心负责人为李盛涛教授，团队始终面向国民经济主战场，围绕重大科学问题和关键核心技术，开展多元研究：包括超/特高压电力设备绝缘、先进电工材料基础、极端条件下的绝缘问题和绝缘学科基础研究。团队成员聚焦高水平论文，研究成果在PRL、CSTE、APL、J. Phys. Chem. Lett.、Macromolecules、IEEE会刊等知名期刊发表论文500余篇，其中SCI收录600余篇，论文总被引量逾12000次，授权发明专利近30项。

李盛涛

1963年出生，教授，博士生导师，西安交通大学领军学者。电工材料电气绝缘全国重点实验室常务副主任、西安交通大学先进电工材料研究中心主任。曾任西安交通大学电气工程学院常务副院长。入选教育部新世纪人才计划、国家杰出青年基金获得者、享受政府特殊津贴专家、全国优秀科技工作者、国家精品课程“电介质物理”负责人之一，国务院学位委员会电气工程学科评议组第七届成员、第八届召集人，中国电工技术学会会士。主要从事电介质理论及其应用、电气功能材料及器件的研究、极端条件下的绝缘材料和绝缘技术等方面的研究。获国家科技进步二等奖1项、省部级一等奖5项，获国家电网特高压交流试验示范工程特殊贡献专家和特高压直流输电工程重要贡献专家。授权发明专利24项，发表论文537篇，其中SCI收录论文近200篇，出版专著4部，翻译英文著作1部，参与编写手册和大典4部。承担国家重点研发计划课题、陕西省重点研发计划课题、973课题、国防973课题、国家自然科学基金重点基金、国家自然基金国际合作等项目近60项。

王诗航

1990年生，西安交通大学电气工程学院副教授，学生就业创业指导服务中心副主任（挂职），电工材料电气绝缘全国重点实验室学术委员会秘书处成员，入选西安交通大学青年优秀人才支持计划A类。主持/参与科研项目十余项，包括国家自然科学基金青年基金、面上基金、智能电网联合基金重点项目，重点实验室开放课题，国家电网重大项目等。发表论文60余篇，申请发明专利17项，参与编写英文专著2部、中文教材1部，获2022年中国电工技术学会科技进步一等奖。

吴一帆

1998年出生，博士生，主要研究方向为电力电缆交联聚乙烯绝缘材料与免脱气绝缘材料。发表论文5篇，申请发明专利2项，主持西安交通大学基本科研业务费自由探索与创新-学生类项目1项。

本文编自2024年第1期《电工技术学报》，论文标题为“低密度聚乙烯基料链结构对黏弹特性的影响”。本课题得到国家自然科学基金智能电网联合基金和国家电网有限公司总部管理科技项目的支持。

引用本文

吴一帆, 王诗航, 李盛涛, 摆音娜, 景政红, 徐治, 楼铁城. 低密度聚乙烯基料链结构对黏弹特性的影响[J]. 电工技术学报, 2024, 39(1): 3-12. Wu Yifan, Wang Shihang, Li Shengtao, Bai Yinna, Jing Zhenghong, Xu Zhi, Lou Tiecheng. Effect of Molecular Chain Structure on Viscoelasticity of Low-Density Polyethylene. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(1): 3-12.